燃氣鍋爐改燒天然氣的嘗試

吳松林，鄧先錄

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽 421001）

引言

衡陽華菱鋼管有限公司（以下簡稱華菱衡鋼）有一臺SHS25-1.27/270-Q型以高爐煤氣為燃料的燃氣鍋爐，為江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司制造，負責華菱衡鋼煉鋼分廠VD爐以及其他用戶的蒸汽供應，該鍋爐運行的正常與否直接影響著煉鋼分廠的生產(chǎn)狀況。

華菱衡鋼因單臺高爐需大修2個月，全司高爐煤氣供給中斷，該燃氣鍋爐將因無燃料而被迫停爐，煉鋼分廠VD爐精煉的高效鋼種將因沒有蒸汽無法生產(chǎn)。咨詢相關鍋爐廠商關于該燃氣鍋爐改燒天然氣改造事項，答復配件加工及改造工期一起需要半個月以上，其費用高達近百萬元，且燃燒器改造成燒天然氣后，當高爐正常時燒高爐煤氣時，熱效率會降低。

1 燃氣鍋爐主要結構特點及技術參數(shù)

1.1 鍋爐的結構特點

（1）本鍋爐采用雙鍋筒橫置式自然循環(huán)結構形式，爐前部為爐膛，爐膛四周布滿水冷壁管，爐膛出口水平煙道設置過熱器、對流管束，尾部豎井煙道中布置兩級省煤器、空氣預熱器，爐膛中部布置蓄熱穩(wěn)燃器；

（2）本鍋爐共設置八個高爐煤氣燃燒器，為整體式燃燒器，控制方式為機械比例調節(jié)。采用四角布置，上下布局（見圖1），下層燃燒器設有天然氣點火裝置。

圖1 原燃燒器實物圖

1.2 鍋爐的技術參數(shù)

型號：SHS25-1.27/270-Q型燃氣鍋爐;

設計燃料：高爐煤氣;

額定蒸發(fā)量：25 t/h;

過熱蒸汽壓力：1.27 MPa;

過熱蒸汽溫度：270℃;

給水溫度：104℃。

2 改造實施

2.1 改造方案的特點

（1）原高爐煤氣燃燒器結構不改變

高爐煤氣為華菱衡鋼高爐煉鐵的副產(chǎn)品，天然氣需外購，高爐大修完成后，該鍋爐將恢復使用高爐煤氣作為燃料。

（2）鍋爐的受壓元件不改變

鍋爐為特種設備，其受壓元件均經(jīng)相關安全監(jiān)督部門檢測合格后才能投入使用。

（3）爐膛的主體結構不改變

爐膛的主體結構發(fā)生改變可能會影響鍋爐的安全性和運行的穩(wěn)定性，給生產(chǎn)帶來較大的隱患。

3 改造主要技術內容

3.1 燃燒器的改造

3.1.1 燃燒器的結構特點

該燃燒器為環(huán)縫旋流燃燒器（如圖2），分內外兩層，內側走高爐煤氣，外側走空氣，出口端設置了混合器和混合段，在燃燒器中間布置了一根φ60天然氣管，該管作點火時用。正常運行時，高爐煤氣從煤氣管和中心天然氣管之間的環(huán)縫中流出，與蝸殼配風器產(chǎn)生的旋流空氣在混合段強烈混合，混合器以22 m/s左右的速度噴進爐膛，卷吸爐膛內的高溫煙氣迅速燃燒。

圖2 環(huán)縫旋流燃燒器

3.1.2 額定負荷下熱負荷計算

鍋爐設計燃料成分（純高爐煤氣）如下：

CO2：17.5%;CO:24.5%;H2:1.5%;CH4:0.5%;N2:56%;Qydw:3265.7kJ/m3;灰＜10 mg/m3。

根據(jù)設計燃料：

單個燃燒器的出力為：2810.6 m3/h；

空氣出口速度為：23 m/s；

高爐煤氣出口速度：32 m/s；

混合氣后部速度：22 m/s；

鍋爐燃料消耗量：22485 m3/h。

華菱衡鋼高爐煤氣CO的實際含量基本穩(wěn)定在23%左右，以及鍋爐隨著使用年限的增長，熱效率的衰減，該鍋爐在達到額定蒸發(fā)量時的實際高爐煤氣消耗量接近24000 m3/h。華菱衡鋼高爐煤氣的熱值約為700 kcal，則鍋爐達到額定蒸發(fā)量所需的熱量為：

天然氣的熱值約為8000 kcal，則根據(jù)能量平衡，理論所需天然氣的量為：

每個燃燒器的平均流量約為：

3.1.3 管道流速計算

該鍋爐每個燃燒器點火用天然氣管道內徑為φ60，天然氣壓力為 0.3 MPa（即為 3 bar），由公式（3）可知，管道流量525 m3/h，則由公式:

流量（Q）=截面積(S)×流速（v）×絕對壓力（P）（4）

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》GB50156-2006，中壓天然氣管道（0.2～0.4 MPa）最高流速為20 m/s，則φ60管道能滿足燃燒器所需的天然氣輸送要求。

3.1.4 天然氣燃燒器設計

現(xiàn)用天然氣燃燒器直徑為60 mm，由12個4 mm的噴射孔組成，根據(jù)現(xiàn)場測試，現(xiàn)天然氣燃燒器正常使用時的流量約為150 m3/h；如天然氣消耗量增加至525 m3/h，則噴射孔的面積需增加3.5倍以上才能滿足需求。

通過重新加工天然氣燃燒器（如圖3），直徑為60 mm，4 mm噴射孔由原來的10個增加到50個，并通過焊接安裝到原燃燒器上。

式中Q-525 m3/h=0.146 m3/s；

D-60 mm；

P-4 bar；

圖3 改造前后燃燒器

3.2 調節(jié)閥的改造

3.2.1 調節(jié)閥選型

燃燒器控制方式為機械比例調節(jié)，每個燃燒器天然氣管道上僅安裝調壓閥（或稱減壓閥），無流量調節(jié)閥。鍋爐的負荷是根據(jù)煉鋼分廠等用戶的需求變化的，則需在天然氣管道上加裝帶切斷功能的調節(jié)閥以能及時調整鍋爐的負荷。通過對管道管徑、氣體壓力等級、閥門結構形式和現(xiàn)有高爐煤氣調節(jié)閥控制方式等進行分析，最終選擇通徑DN60、壓力等級PN6、結構形式為蝶閥、控制方式氣動且?guī)袛喙δ艿恼{節(jié)閥。并將原高爐煤氣調節(jié)閥的控制系統(tǒng)接入到新安裝的天然氣流量調節(jié)切斷閥上，同時將火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力、水位等信號與調節(jié)切斷閥聯(lián)鎖，確保異常情況下能及時切斷天然氣。

3.2.2 調節(jié)閥調試

天然氣調節(jié)閥改造完成，以及其他相關改造完成后，系統(tǒng)點火試運行，逐步將天然氣調節(jié)閥的開度調至100%，同時觀察各天然氣通道的流量（每根天然氣管道裝有流量計），通過調節(jié)減壓閥，確保各通道在的流量在525 m3/h左右。在調試完成后，各通道天然氣的減壓閥后的壓力基本穩(wěn)定在50 kPa。

3.3 空燃比的計算

3.3.1 理論空燃比的計算

天然氣的主要成分為CH4，燃燒時將化學能轉化為熱能，并產(chǎn)生大量的煙氣，其燃燒的化學方程式為：

高爐煤氣的主要可燃成分為CO，其燃燒的化學方程式為：

由公式（7）和公式（8）對比可知，天然氣與高爐煤氣的空燃比不同?？諝庵械难鹾考s為21%，則天然氣燃燒理論空燃比為：

3.3.2 實際空燃比的計算

天然氣燃燒后煙氣中的氧含量對燃料燃燒的影響較大。煙氣中氧含量過高存在以下害處：

(1)過量的空氣會帶走大量的物理熱，造成不必要的浪費；

(2)過量的冷空氣進入爐膛，將降低了爐膛溫度，增加燃料的消耗同時；

(3)增加鼓風機和引風機的電耗和機械磨損。

煙氣中的氧氣含量偏低，會引起燃料不充分燃燒，造成燃料的浪費，增加燃料成本。通常規(guī)定鍋爐煙氣中氧氣含量在3%～6%為宜，煙氣中氧含量按4%設計。

則實際空燃比為：

3.4 爐膛壓力的控制

根據(jù)鍋爐《煙風阻力計算表》得知，以高爐煤氣為燃料時，額定負荷下煙氣的體積為65529.9 m3/h；以天然氣作為燃料時，由公式（7）得知天然氣燃燒后的體積為發(fā)生變化，額定負荷下煙氣的理論體積為2187×（1+12.8）=30180.6 m3/h。因此，鍋爐燃料由高爐煤氣改為天然氣后，煙氣量大幅減少。

根據(jù)《煙風阻力計算表》得知，該鍋爐爐膛出口設計負壓20 Pa，引風機電機功率為110 kW，采用變頻控制。爐膛煙氣出口安裝有壓力傳感器，引風機根據(jù)壓力信號自動調節(jié)轉速，確保爐膛負壓。

4 效果驗證

4.1 安全性驗證

此改造鍋爐的受壓元件未發(fā)生改變，爐膛的結構未發(fā)生改變，則鍋爐本體的結構未發(fā)生改變；在天然氣管道上加裝了切斷調節(jié)閥，并與火焰檢測器、鍋爐系統(tǒng)壓力和水位等信號聯(lián)鎖，確保在鍋爐在出現(xiàn)異常時能及時切斷天然氣；天然氣管道上安裝有減壓閥，確保天然氣的壓力穩(wěn)定，由公式（10）計算出了合理的空燃比，為防止脫火和回火提供了保證。

4.2 蒸發(fā)量驗證

在完成燃燒器改造、流量調節(jié)閥安裝、空燃比設定等工序后，按鍋爐開爐操作規(guī)程做好準備后，進行點火調試；逐步調試好各個通道的壓力和流量；設定爐膛負壓為20 Pa；通過調整天然氣調節(jié)閥開度，即調節(jié)天然氣流量，來調整鍋爐的蒸發(fā)量已適應用戶負荷的變化，經(jīng)長時間跟蹤和測試，當四個天然氣調節(jié)閥開度全開時，天然氣總流量為2110 m3/h，鍋爐的蒸發(fā)量為23 t/h，基本達到了改造的目的，滿足了用戶的需求。